基于Caesar II和Ansys的600MW亞臨界汽輪機高壓導汽管法蘭開裂原因分析及結構優化

李國明，米樹華，謝澄，姜豐平，唐璐

（1.國電浙江北侖第一發電有限公司，浙江 寧波 315800；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

圖1 法蘭裂紋

某電廠汽輪機為亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽凝汽式600MW汽輪機（ALSTHOM制造），主蒸汽參數為16.66MPa/537℃。主蒸汽管道為1-4型布置，有四組高壓進汽閥組，上方兩根進入高壓缸的導汽管布置有兩對法蘭。機組運行約10萬小時后，兩對法蘭的上下頸部與螺栓孔平面倒角連接處均發現有裂紋，如圖1。

高壓導汽管法蘭位于汽輪機的運行平臺，一旦開裂，大量高溫高壓蒸汽泄漏易導致安全事故。高壓導汽管法蘭開裂鮮有報道，胡潔梓等從金相角度分析了該法蘭開裂的原因。同類型法蘭的研究多為如何提高法蘭密封性、節省材料等，陸萍萍研究了大直徑高壓法蘭的密封設計和經濟尺寸設計，董其伍等研究了特殊法蘭頸部的頂部應力分析，未見對法蘭頸部與螺栓孔平面倒角連接處進行應力分析及優化的相關報道。本文采用管道應力計算軟件Caesar II對管系進行計算分析，獲得高壓導汽管法蘭節點處的力和力矩，然后利用Ansys軟件對結構優化前后高壓導汽管法蘭進行應力分析。

1 法蘭受力分析

1.1 模型的建立

根據管道的實際布置對主蒸汽管道、高壓旁路管道和高壓導汽管整體管系計算模型（如圖2），模型中包括支吊架的設置；忽略測量、減溫等小口徑管道對主管道的影響，法蘭、閥門和三通等作為剛性管件均作簡化處理。高壓導汽管法蘭所在節點為圖3中的10060-10070和20150-20160。

1.2 管道計算參數

管系的計算參數如表1。

圖2 主蒸汽、高壓旁路及導汽管建模圖

圖3 導汽管建模節點圖

管道材料許用應力、彈性模量、線膨脹系數取值依據ASME B31.1-2004 Power piping規定；主汽閥和調節閥近似為剛性件；保溫材料為硅酸鋁，密度150kg/m3。

1.3 計算結果

Caesar II計算得出高壓導汽管法蘭處的熱態靜力如表2。

表1 管系的計算參數

表2 高壓導汽管法蘭節點熱態靜力

2 法蘭應力分析

2.1 模型的建立

模型依據原法蘭設計圖紙建立全尺寸模型（如圖4）。法蘭接管長度大于2.5時可忽略邊界的影響，因此接管長度取為一對法蘭的長度840mm。倒角附近采用細網格保證應力分析準確性。

2.2 應力計算參數及單元選擇

圖4 導汽管法蘭有限元模型a）及倒角細網格b）

法蘭材料為B60N-S，弾模210GPa，泊松比0.29，熱膨脹系數12e-6。上下法蘭及法蘭間墊片采用solid187單元，螺栓、螺母及接管采用solid45單元，上下法蘭、法蘭墊片、螺母與法蘭、螺栓與法蘭及墊片采用接觸單元conta174與targe170。采用prets179預緊單元模擬螺栓的預緊荷載140MPa(螺栓直徑76mm)，管內壁內壓16.66MPa，溫度540℃。取法蘭上下840mm，將CAESAR計算的法蘭處靜力、接管處的六個方向的內力作為荷載施加到Ansys模型中。

2.3 計算結果與分析

計算所得Mises應力云圖（如圖5～7），整個法蘭的高應力區集中在螺栓孔倒角處，且螺栓孔之間部分沿徑向應力變化非常明顯。法蘭盤外徑附近應力較低，法蘭接管部分應力約53MPa。這是由于法蘭剛度比管道要大很多，管道端部的外荷載在法蘭與管道連接處產生較大的應力。如圖所示，法蘭最大Mises應力達到了114MPa，位于B（E）點螺栓孔處；同時C點為3.8MPa，D點為30.08MPa，兩者相差約7倍，應力梯度非常明顯。

圖5 Mises應力云圖(a)

圖6 Mises應力云圖(b)

對比現場裂紋圖1與云圖結果，法蘭裂紋位置與云圖中Mises的高應力、高應力梯度區吻合。法蘭在螺栓孔附近長期處于高應力、高應力梯度狀態，存在疲勞裂紋，與文獻[1]金相分析的結論一致。

3 法蘭結構優化

3.1 新法蘭結構

高壓導汽管法蘭優化前采用直管段取代法蘭。新法蘭進行了三處優化：

（1）增大法蘭直徑（665mm→710mm），為螺栓孔提供更大的節圓，增大螺栓孔中心距（490mm→535mm），加工螺栓孔平面時可少切削法蘭頸部；

（2）增加法蘭厚度（220mm→250mm），以減少彎應力；

（3）增加法蘭頸部與螺栓孔平面倒角（R=2.5mm→5mm），以減少應力集中。改造前后法蘭尺寸圖如圖8。

圖7 Y向(法蘭軸向)應變云圖

圖8 改造前后法蘭尺寸圖（括號內為改造前尺寸）

3.2 新舊法蘭應力比較

對新法蘭進行同上的應力分析，新法蘭高應力區減小，且在倒角區域的最大Mises應力為舊法蘭的70%，同時螺栓孔間沿徑向應力梯度明顯下降。新舊法蘭應力對比圖如圖9。

圖9 新舊法蘭應力對比

4 結語

（1）對主蒸汽管道、高壓旁路管道和高壓導汽管的各管件進行建模，采用管道應力計算軟件Caesar II對管系進行計算，獲得熱態時高壓導汽管法蘭節點處的力和力矩，并作為法蘭應力分析的輸入。

（2）對高壓導汽管法蘭采用Ansys軟件進行應力分析，發現法蘭頸部與螺栓孔平面的倒角處為高應力集中區、螺栓孔間沿徑向為高應力梯度區，法蘭裂紋位置與高應力、高應力梯度區相吻合。

（3）新的高壓導汽管法蘭采用了三處優化，倒角區域的最大Mises應力僅為舊法蘭的70%，螺栓孔間沿徑向應力梯度明顯下降。